主變壓器近區(qū)短路繞組變形診斷探究

儲(chǔ)百生，張曉濤，苗彩鳳，徐　暉

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

主變壓器近區(qū)短路繞組變形診斷探究

儲(chǔ)百生，張曉濤，苗彩鳳，徐暉

（雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

摘要：變壓器屬于電力主設(shè)備，它在運(yùn)輸或安裝過(guò)程中受到碰撞、沖擊，以及在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生短路，都可能使得繞組發(fā)生變形，按照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國(guó)能安全[2014]161號(hào)），應(yīng)進(jìn)行繞組變形測(cè)試，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)開(kāi)展有針對(duì)性的診斷。

關(guān)鍵詞：變壓器；短路；常規(guī)試驗(yàn)；頻響曲線(xiàn)；繞組變形

變壓器是電力系統(tǒng)中重要的設(shè)備，因某些原因，主變近區(qū)發(fā)生短路故障，勢(shì)必會(huì)對(duì)變壓器繞組產(chǎn)生沖擊。按照《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》（國(guó)能安全[2014]161號(hào)）中“12.1.3變壓器在遭受近區(qū)突發(fā)短路后，應(yīng)做低電壓短路阻抗測(cè)試或繞組變形試驗(yàn)，并與原始記錄比較，判斷變壓器無(wú)故障后，方可投運(yùn)”的要求，應(yīng)積極開(kāi)展變壓器繞組變形檢測(cè)。

1　突然短路時(shí)繞組變形類(lèi)型

變壓器遭受短路電流沖擊的次數(shù)越多，承受最大短路峰值電流的概率也就越高，越可能導(dǎo)致繞組變形。

1.1突然短路時(shí)主要由縱向電動(dòng)力引起的損壞

餅式繞組沿圓周由鴿尾墊塊支撐，縱向電動(dòng)力過(guò)大時(shí)，兩墊塊間導(dǎo)線(xiàn)作為受壓力的梁因彎矩過(guò)大而發(fā)生永久變形，這種變形通常是圓周對(duì)稱(chēng)的。

縱向電動(dòng)力還可以使繞組縱向發(fā)生位移，往往使繞組整個(gè)向上提升，或一個(gè)繞組中部某處撐開(kāi)。這種損壞，往往是制作或裝配不良，高低壓繞組間原始狀態(tài)由位移而引起安匝不平衡所致。

1.2突然短路時(shí)由縱向及橫向電動(dòng)力同時(shí)作用引起

的損壞

在繞組端部主要是由縱向漏磁的縱向和橫向分量產(chǎn)生的橫向和縱向電動(dòng)力綜合作用引起。在繞組中部主要是由縱向磁場(chǎng)的縱向分量所產(chǎn)生的橫向電動(dòng)力和橫向磁場(chǎng)所產(chǎn)生的縱向電動(dòng)力所引起[1]。主要損壞現(xiàn)象為繞組發(fā)生扭轉(zhuǎn)，端部出頭沿圓周位移，繞組導(dǎo)線(xiàn)損傷甚至倒塌。

2　頻響分析法解析

變壓器承受短路沖擊后，一般都用常規(guī)電氣試驗(yàn)項(xiàng)目和絕緣油分析來(lái)檢查變壓器的絕緣狀況。有的變壓器電氣試驗(yàn)和絕緣油分析均在預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程所規(guī)定的范圍內(nèi)，但吊罩檢查卻發(fā)現(xiàn)繞組已明顯變形或絕緣墊塊嚴(yán)重松動(dòng)，說(shuō)明常規(guī)電氣、油化試驗(yàn)項(xiàng)目不能有效地發(fā)現(xiàn)變壓器繞組變形性缺陷。而吊罩檢查雖直觀(guān)，但耗費(fèi)物力、財(cái)力、人力，且對(duì)判斷內(nèi)側(cè)繞組有無(wú)變形仍有困難，可有側(cè)重地利用頻響分析法。

在較高頻率的電壓作用下，變壓器的每個(gè)繞組均可視為一個(gè)由線(xiàn)性電阻、電感（互感）、電容等分布參數(shù)構(gòu)成的無(wú)源線(xiàn)性雙口網(wǎng)絡(luò)，其內(nèi)部特性可通過(guò)傳遞函數(shù)H（j）描述[2]，如圖1所示。如果繞組發(fā)生變形，繞組內(nèi)部的分布電感、電容等參數(shù)必然改變，導(dǎo)致其等效網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)H（j）的零點(diǎn)和極點(diǎn)發(fā)生變化，使網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)特性發(fā)生變化。

用頻率響應(yīng)分析法檢測(cè)變壓器繞組變形，是通過(guò)檢測(cè)變壓器各個(gè)繞組的幅頻響應(yīng)特性，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行縱向或橫向比較，根據(jù)幅頻響應(yīng)特性的差異，判斷變壓器可能發(fā)生的繞組變形。

變壓器繞組的幅頻響應(yīng)特性采用圖1所示的頻率掃描方式獲得。連續(xù)改變外施正弦波激勵(lì)源S的頻率（角頻率，測(cè)量在不同頻率下的響應(yīng)端電壓2和激勵(lì)端電壓1的信號(hào)幅值之比，獲得指定激勵(lì)端和響應(yīng)端情況下繞組的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)。

圖1　頻率響應(yīng)分析法的基本檢測(cè)回路

測(cè)得的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)常用對(duì)數(shù)形式表示，即對(duì)電壓幅值之比進(jìn)行如下處理：

式中：

3　變壓器繞組變形頻響診斷

3.1變壓器參數(shù)

型號(hào)：DSP-223000/500

額定電壓：（550/√3-2×2.5%）/20 kV

相數(shù)：3相

額定容量：223000/223000 kVA

聯(lián)結(jié)組標(biāo)號(hào)：Iio

生產(chǎn)廠(chǎng)家：特變電工衡陽(yáng)變壓器有限公司

絕緣水平：

h.v線(xiàn)路端子SI/LI/AC1175/1550/680 kV h.v中線(xiàn)點(diǎn)端子LI/AC185/85 kV l.v線(xiàn)路端子LI/AC125/55 kV

3.2試驗(yàn)接線(xiàn)

3.2.1高壓側(cè)繞組

試驗(yàn)時(shí)未打開(kāi)變壓器套管氣室，而將500 kV高壓電纜靠近開(kāi)關(guān)站一端懸空接地，通過(guò)變壓器中性點(diǎn)注入激勵(lì)信號(hào)，利用變壓器高壓側(cè)套管末屏作為響應(yīng)端進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)分相進(jìn)行。

圖2　高壓側(cè)A相繞組變形檢測(cè)接線(xiàn)示意圖

3.2.2低壓側(cè)繞組

試驗(yàn)時(shí)未打開(kāi)變壓器高壓套管氣室，而將500 kV高壓電纜靠近開(kāi)關(guān)站一端懸空，通過(guò)低壓側(cè)出線(xiàn)套管接線(xiàn)處搭接試驗(yàn)線(xiàn)注入信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)分相進(jìn)行。

圖3　低壓側(cè)ac相繞組變形檢測(cè)接線(xiàn)示意圖

3.2.3響應(yīng)曲線(xiàn)

（1）高壓繞組

圖4　高壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線(xiàn)

（2）低壓繞組

圖5　低壓繞組頻率響應(yīng)特征曲線(xiàn)

3.2.4繞組相關(guān)系數(shù)分析結(jié)果

（1）高壓側(cè)

表1　高壓側(cè)各頻段測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

（2）低壓側(cè)

表2　低壓側(cè)各頻段測(cè)試數(shù)據(jù)匯總

4　結(jié)論

當(dāng)變壓器繞組發(fā)生變形，建立等效模型時(shí)，其電感、電容參數(shù)將發(fā)生變化，必然會(huì)影響到傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)的分布[3]。利用正交多項(xiàng)式擬合了變壓器繞組的傳遞函數(shù)，進(jìn)而求取其零、極點(diǎn)，根據(jù)其位置的變化來(lái)判斷繞組變形情況，避免了普通多項(xiàng)式擬合傳遞函數(shù)法病態(tài)問(wèn)題。分析首端電感、中端電感增大5%后的零、極點(diǎn)變化，在實(shí)際的系統(tǒng)中，只考慮實(shí)軸為負(fù)半軸的情況[4]。

圖6中×表示正常情況下的極點(diǎn)，+表示首端電感變化后的極點(diǎn)。圖7中O表示正常情況下的零點(diǎn)，*表示首端電感變化后的零點(diǎn)。

圖8中×表示正常情況下的極點(diǎn)，+表示中端電感變化后的極點(diǎn)。圖9中O表示正常情況下的零點(diǎn)，*表示中端電感變化后的零點(diǎn)。

從圖形可得知，極點(diǎn)的實(shí)部反映了諧振頻率處幅值的信息，而極點(diǎn)的虛部則代表了諧振頻率的大小，結(jié)合零點(diǎn)和極點(diǎn)的變化綜合判斷出繞組未發(fā)生變形，運(yùn)行工況正常。

圖6　正常情況與首端電感變化時(shí)極點(diǎn)分步比較圖

圖7　正常情況與首端電感變化時(shí)零點(diǎn)分步比較圖

圖8　正常情況與中端電感變化時(shí)極點(diǎn)分步比較圖

圖9　正常情況與中端電感變化時(shí)零點(diǎn)分步比較圖

由表3可知，頻率較低時(shí)，繞組的對(duì)地電容及餅間電容所形成的容抗較大，而感抗較小，如果繞組的電感發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致其頻響特性曲線(xiàn)低頻部分的波峰或波谷位置發(fā)生明顯移動(dòng)。對(duì)照?qǐng)D5，可知：

（1）低頻段（1 kHz～100 kHz）的波峰或波谷位置未發(fā)生明顯變化，三相繞組低頻段的響應(yīng)特性曲線(xiàn)應(yīng)非常相似，說(shuō)明繞組電感未發(fā)生變化，變壓器繞組不存在匝間或餅間短路的情況。

（2）中頻段（100 kHz～600 kHz）的波峰或波谷位置未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明繞組未發(fā)生扭曲和鼓包等局部變形現(xiàn)象。

（3）頻率較高時(shí)，繞組的感抗較大，容抗較小，由于繞組的餅間電容遠(yuǎn)大于對(duì)地電容，波峰和波谷分布位置主要以對(duì)地電容的影響為主。曲線(xiàn)中反映出高頻段（＞600 kHz）的波峰或波谷位置未發(fā)生明顯變化，表明繞組的對(duì)地電容未發(fā)生改變，不存在繞圈整體移位或引線(xiàn)位移的情況。

通過(guò)表3變壓器繞組變形診斷對(duì)應(yīng)表進(jìn)行驗(yàn)證繞組未發(fā)生變形，運(yùn)行工況正常，與傳遞函數(shù)零、極點(diǎn)判定方法一致。

表3　變壓器繞組變形診斷對(duì)應(yīng)表

5　結(jié)語(yǔ)

（1）頻響分析法對(duì)比低壓脈沖法，避免了儀器笨重和測(cè)試結(jié)果重復(fù)性差等缺點(diǎn)，降低了電磁干擾的影響，可重復(fù)性較好，且可以較為直觀(guān)地分析頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，測(cè)試靈敏度較高。

（2）頻響分析法一直都是建立在比較頻域幅度的基礎(chǔ)之上，即同一臺(tái)變壓器的目前記錄和歷史記錄的幅頻比較、相同型號(hào)的變壓器與同廠(chǎng)同期生產(chǎn)的變壓器之間幅頻的比較、同一臺(tái)變壓器不同相之間的頻響比較。如果繞組的頻率響應(yīng)不同，就可以初步斷定繞組發(fā)生了變形故障。

（3）頻響分析法由于測(cè)試結(jié)果受很多不確定性因素的影響，其診斷結(jié)果尚具有某種不穩(wěn)定性。

（4）頻響分析法是建立在頻響曲線(xiàn)之間比較的基礎(chǔ)之上，沒(méi)有確定性的指標(biāo)或限值來(lái)衡量變化量的大小，需進(jìn)一步觀(guān)察、總結(jié)頻響曲線(xiàn)在零點(diǎn)、極點(diǎn)的變化規(guī)律。

（5）頻響分析法在實(shí)際應(yīng)用中，通常是比較頻響曲線(xiàn)之間的差異，憑借經(jīng)驗(yàn)推測(cè)，判斷繞組是否發(fā)生變形，而沒(méi)有固定的尺度和統(tǒng)一的判斷來(lái)衡量變形程度和變形位置。需進(jìn)一步完善診斷數(shù)據(jù)庫(kù)，提高診斷的精細(xì)化水平。

（6）頻響分析法對(duì)有些部位的故障反應(yīng)不靈敏，有些地方本來(lái)發(fā)生比較大的變形，但頻響曲線(xiàn)的變化卻不明顯。故頻響曲線(xiàn)僅作為輔助性的診斷和有針對(duì)性的參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3]MCDOWELLLGW,LOCKWOOD M L.Real TimeMonitoring of Movement of Transformer W inding[C]//.IEEE Colloquium on,1994.

[4]DOBLE ENGINEER ING COMPANY.M 5110 Sw eep Frequency Response Analyzer[Z].USAMAW atertown，2000.

中圖分類(lèi)號(hào)：TM403.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0014-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.005

收稿日期：2015-03-18

作者簡(jiǎn)介：儲(chǔ)百生（1973-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，從事機(jī)電設(shè)備的生產(chǎn)維護(hù)及管理工作。